Física de semiconductores en la enseñanza básica de la electrónica: primeros pasos de un proceso de transposición didáctica

89 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1), 089–100 FÍSICA DE SEMICONDUCTORES EN LA ENSEÑANZA BÁSICA DE LA ELECTRÓNICA: PRIMEROS PASOS DE UN PROCESO DE TRANSPOSICIÓN DIDÁCTICA Ga cía-Ca mona, An onio y C iado, Ana M. Depa amen o de Didác ica de las Ciencias. Uni e sidad de Se illa [email p o ec ed] [email p o ec ed] in es igación didác ica Resumen. El a ículo plan ea, como inno ación didác ica, la in oducción de nociones de ísica de semiconduc o es (FS) en Educación Secunda ia Obliga o ia (ESO). Se p e ende así que los alumnos de la e apa adquie an un conocimien o básico del undamen o ísico de los disposi i os elec óni- cos. Bajo la hipó esis gene al de que es posible in eg a nociones de FS en clases de ísica y química de la ESO (14-16 años), se es ablecen una se ie de hipó esis especí icas, que guían dicha in eg ación. És as implican la necesidad de conoce las ideas y obs áculos de ap endizaje más ecuen es de alumnos de la e apa, en elación con el ópico, a in de iden i ica la demanda de ap endizaje. A con inuación, se p opone una ansposición didác ica del ópico pa a el ni el de ESO, en la que se es ablecen: los con enidos del ac ual cu ículo, que si en de «puen e» en e lo que el alumno ya sabe con lo que a a ap ende ; y el a amien o didác ico de los con enidos p opues os, jun o con los obje i os de ap endizaje. Palab as cla e. Educación secunda ia, elec ónica, ísica de semiconduc o es, obs áculos de ap endizaje, ansposición didác ica. Semiconduc o Physics in basic Elec onics eaching: Fi s s eps o a didac ic ansposi ion p ocess Summa y. This a icle p oposes, as an educa ional inno a ion, he in oduc ion o no ions o semiconduc o physics in he Compulso y Seconda y Educa ion, so ha s uden s a his s age may acqui e a basic knowledge o he physical ounda ions o elec onics. Unde he gene al hypo hesis ha i is possible o in eg a e some o hese basic no ions on he opic in o he physics and chemis y class, a se ies o speci ic hypo heses ha guide he in eg a ion a e es ablished. These imply he need o knowing he s uden s’ mos equen s ideas and lea ning obs acles ega ding he opic, in o de o iden i y he lea ning demand. Then, a didac ic ansposi ion o he semiconduc o physics o he said educa ional s age is p oposed, indica ing (a) he con en s o physics and chemis y cu iculum ha se e as b idge be ween he knowledge ha he s uden s al eady ha e and wha hey a e going o lea n, and (b) he didac ic ea men o he new con en s along wi h he lea ning objec s. Keywo ds. Didac ic ansposi ion, elec onics, lea ning obs acles, Seconda y Educa ion, semiconduc o physics. En España, la enseñanza básica de la elec ónica se ini- cia en el úl imo cu so de Educación Secunda ia Obli- ga o ia (ESO), den o de la ma e ia de Tecnología. Sus con enidos suelen se in oducidos desde una pe spec- i a uncional basada en el análisis de disposi i os y sis emas elec ónicos, a modo de cajas neg as, de modo que, po lo gene al, no se llega a abo da la ísica que hay de ás del compo amien o de los ma e iales que com- ponen ales disposi i os (Rosado y Ga cía-Ca mona, 2004). Sin emba go, la elec ónica no hab ía alcanzado los al os ni eles de desa ollo, hoy conocidos, de no se po los impo an es a ances log ados en la ísica de los p incipa- les ma e iales empleados en la ab icación de componen- es elec ónicos: los semiconduc o es (Jenkins, 2005). Tal hecho ue econocido en 2000 con el p emio Nobel de Física. Méndez (2000, p. 66) esc ibe, al espec o: «Los hallazgos […] demos ados en muchas amilias de semiconduc o es, son el undamen o de los disposi i os 1. INTRODUCCIÓN in es igación didác ica 90 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) elec ónicos que gobie nan, hoy día, el uncionamien o de la ele onía mó il, las calculado as, las ideoconsolas, los ele iso es, los o denado es, los elojes digi ales y un la go e cé e a. De modo que con es o se ha ma cado un an es y un después en el desa ollo de la Humanidad, dando luga a una nue a e a de las comunicaciones.» Po an o, exis en azones didác icas y epis emológicas que sugie en la posibilidad de plan ea se la in oducción de nociones de ísica de semiconduc o es (FS) en la en- señanza de la elec ónica en la ESO (Rosado y Ga cía- Ca mona, 2005a). Si bien, dado que el cu ículo o icial no obliga a ello, lo ideal es que al p opósi o su ja de la inquie ud p o esional de cada p o eso , eniendo en cuen a, además, las posibilidades eales de su con ex o docen e. En nues o caso, el p ime o de los au o es im- pa e an o ísica y química como ecnología en la e apa, y después de algunos años enseñando elec ónica, sien e la necesidad de complemen a la con la in oducción de algunas nociones de FS en clase de ísica y química. A pa i del ac ual cu ículo de ísica y química de la ESO, y con un plan eamien o didác ico y me odológico ap opiado, es posible in eg a algunas nociones básicas de FS en es a e apa. Con es a hipó esis gene al, y como inno ación didác ica, nos plan eamos emp ende una p ime a in oducción al ema. Al no encon a en la li e a u a cien í ica ningún abajo dedicado a la enseñanza-ap endizaje de FS en secunda- ia, ealizamos un amplio es udio pilo o (Rosado y Ga - cía-Ca mona, 2005b; Ga cía-Ca mona, 2006a, 2007; Ga cía-Ca mona y C iado, 2009) o ien ado a alo a la iabilidad (log os, obs áculos de ap endizaje, e c.) de in- eg a el ópico en clase de ísica y química de la ESO (14-16 años). Los esul ados de es e es udio cons i uyen, p ecisamen e, el pun o de a anque de una p opues a de enseñanza más undamen ada de p ime a in oducción al ema en la e apa. Po an o, los obje i os de es e abajo son: a) desc ibi las p incipales ideas y obs áculos de ap endizaje de alumnos de ESO, en elación con el ópico; b) de e mina la deman- da de ap endizaje, al espec o, de acue do con las edades de los alumnos y el ma co cu icula de ísica y química pa a la e apa; y c) p opone un modo de in eg a nociones de FS en dicho cu ículo, median e un p oceso de anspo- sición didác ica donde se es ablezcan: 1) los con enidos de pa ida, que si en de «puen e» en e lo que el alumno ya sabe con lo que a a ap ende , 2) el a amien o didác ico de los con enidos y 3) los obje i os de ap endizaje. Todo ello se plan ea en el ma co de unas hipó esis didác icas es- pecí icas, es ablecidas como pun o de pa ida en el diseño y desa ollo de la p opues a de enseñanza. 2. HIPÓTESIS DE PARTIDA La li e a u a ac ual, espec o al diseño de p opues as didác icas, man iene igen e ideas que ya su gie on en la década de los ochen a. Po ejemplo, Lijnse (2000) es- ablece como elemen o p io i a io la mo i ación de los alumnos y da les buenas azones sob e el in e és del ó- pico que se p opone es udia . Asimismo, a gumen a que el p o eso debe ene en cuen a la elación en e el ó- pico que se a a enseña y el conocimien o p e io y/o co idiano de los alumnos sob e el mismo. Es o se i á de o ien ación en el momen o de selecciona los con e- nidos y obje i os de ap endizaje. También conside a que es undamen al ene p esen es los esul ados de in es i- gaciones didác icas p e ias e e idas al ópico que se a a enseña , con especial a ención a aquellas desa olladas en con ex os educa i os simila es. Leach y Sco (2002) basan el diseño de sus p opues as didác icas en el concep o de demanda de ap endizaje, que su ge de una necesidad de adqui i nue os cono- cimien os pa a explica mejo cie os enómenos. Pa a ello, p ime o analizan las ideas habi uales de los alum- nos sob e el ópico en cues ión, y, luego, compa ando dichas ideas con el con enido cien í ico escola que se a a enseña , es ablecen los obje i os de ap endizaje. Recapi ulando las ideas an e io es, Bu y, Tibe ghien y Le Ma échal (2004) p oponen es hipó esis cla e pa a la cons ucción de p opues as didác icas: hipó esis sob e el conocimien o, hipó esis sob e el ap endizaje e hipó esis didác ica. En cada una de ellas ienen en cuen a aspec os epis emológicos, psicológicos y didác icos, dando ma- yo impo ancia a unos u o os según el caso. En elación con la hipó esis sob e el conocimien o, pa - en del concep o de ansposición didác ica de inido po Che alla d (1997). El concep o hace e e encia al p oceso median e el cual se pasa del conocimien o cien- í ico a la ciencia que a a se enseñada en la escuela. Gene almen e, es a úl ima iene es ablecida po ley en el cu ículo o icial. Sin emba go, dicho cu ículo sólo es una e e encia pa a el p o eso , ya que es él quien debe eo ganiza el conocimien o p opues o y descompone lo median e a eas especí icas pa a su enseñanza en el aula. Po es a azón, conside an undamen al conoce los esul- ados de la in es igación didác ica ela i a a la enseñan- za del ópico en cues ión. Además, den o de la hipó esis sob e el conocimien o, dis inguen dos hipó esis comple- men a ias: – Hipó esis sob e modelización. Sugie e que las eo ías y modelos se in oduzcan con un ni el de p o undiza- ción cohe en e con la edad y/o desa ollo cogni i o de los alumnos. Igualmen e, las a eas deben se diseñadas de modo que los alumnos puedan accede al conocimien- o, con on ando el suyo p e io con el es ablecido po el ámbi o cien í ico. – Hipó esis sob e los egis os semió icos. En la ense- ñanza de las ciencias suelen emplea se di e en es egis- os semió icos: lenguaje co idiano, lenguaje algeb aico, g á icos, esquemas, e c. Po an o, se debe descompone el conocimien o cien í ico en los di e en es egis os semió icos, así como p oba y decidi cuáles son los más adecuados pa a el ni el educa i o y/o g upo clase en cues ión, pa a lo cual se debe p ocu a an icipa las posibles di icul ades de los alumnos en elación con cada uno de ellos. in es igación didác ica 91 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) Con espec o a la hipó esis sob e el ap endizaje, Bu y y o os (2004) conside an que el diseño de una secuencia debe oma como base la idea igos kiana sob e la zona de desa ollo p óximo del alumno. Es deci , la secuen- cia debe pa i del conocimien o p e io de los alumnos sob e el ópico y conside a qué posibilidades ienen de adqui i el nue o conocimien o (acep ado cien í icamen- e), de acue do con su desa ollo cogni i o y con la ayu- da del p o eso . Pa a ello, los au o es a gumen an que la secuencia debe cub i la «dis ancia» en e ese conoci- mien o p e io y el conocimien o cien í ico que a a se enseñado. En es e p opósi o se á impo an e es ablece las ideas y/o concep os cla e («nociones undado as»), a pa i de los cuales se a a desa olla la nue a ama concep ual. Finalmen e, cuando es os au o es hablan de la hipó esis didác ica, se e ie en a los ac o es y ci cuns ancias que in luyen en la implemen ación de una p opues a de en- señanza en el aula. Des acan, en e o os aspec os, que la implemen ación de la p opues a se á más sa is ac o ia en la medida en que los alumnos se impliquen ac i- amen e en su es udio; lo cual, lógicamen e, exige el empleo de es a egias didác icas mo i ado as. En la ac ualidad, la es a egia didác ica que pa ece más e ec i- a, en e o as cosas po que es imula la pa icipación del alumnado, es la que plan ea el ap endizaje como una ac- i idad in es igado a (Cañal, 2007; Roca d e al., 2007), o ien ada po el p o eso con o me a las ca ac e ís icas (cogni i as, con ex uales, e c.) de su alumnado. Con odo, nues a p opues a de enseñanza de nociones de FS en la ESO pa e de las siguien es hipó esis: 1. Los alumnos a p io i pueden ac i a ideas inadecua- das sob e FS, más aún si no han es udiado el ópico con an e io idad. 2. Al no encon a en la li e a u a es udios p eceden es ela i os al ap endizaje de FS en secunda ia, es con e- nien e ealiza una in es igación pilo o, que p opo cione da os y conclusiones ace ca de la iabilidad de su ense- ñanza en dicha e apa. Esos esul ados se án el pun o de a anque pa a la elabo ación de una p opues a didác ica undamen ada sob e el ópico pa a la ESO. 3. La ansposición didác ica de la FS al ni el de ESO debe hace se de mane a que los concep os del ópico conec en adecuadamen e con los ya incluidos en el cu- ículo de ísica y química de la e apa; conc e amen e, con los dedicados al es udio de la ma e ia y la elec i- cidad; con lo cual, aquellos concep os de FS que no puedan se cons uidos di ec amen e a pa i de ales con enidos se án excluidos de los obje i os de ap endi- zaje. Ello plan ea la necesidad de es ablece los concep- os cla e de elec icidad y ma e ia, que cons i ui án los pila es esenciales pa a el nue o ap endizaje. Asimismo, los modelos y egis os semió icos que se in oduzcan deben es a en sin onía con las ca ac e ís icas de los alumnos de la e apa. 4. Pa a mo i a a los alumnos al es udio de nociones de FS, an es debemos da les buenas azones sob e la impo ancia de los ma e iales semiconduc o es en el desa ollo de la elec ónica. Además, las a eas que se p opongan deben se lo más suge en es posible, con el in de a ae la a ención del alumno hacia su es udio. Un buen modo de log a lo es median e el diseño de una secuencia de enseñanza que impulse el ap endizaje po in es igación. 5. La in oducción de FS equie e ees uc u a la p o- g amación de la asigna u a, sin menoscabo del es o de con enidos, y den o del ho a io lec i o disponible. Es o se puede hace seleccionando sólo aquellos con- enidos sob e ma e ia y elec icidad que sean imp es- cindibles pa a el ap endizaje del nue o ópico. Hay que ene en cuen a el ca ác e abie o del cu ículo, y que el p o eso es quien debe conc e a los obje i os de ap endizaje que es ime más opo uno con o me a su con ex o. An e es a si uación, no obs an e, cabe la po- sibilidad de que los con enidos no seleccionados sob e ma e ia y elec icidad, en es a ocasión, sean a ados en o o momen o.1 6. Pa a que la enseñanza de la FS sea lo más e ec i a po- sible, es necesa io que exis a una adecuada coo dinación en e los p o eso es de ísica y química y de ecnología. Ambos deben delimi a lo que a a se enseñado sob e semiconduc o es en cada una de las ma e ias y, a la ez, es ablece una conexión di ec a en e los con enidos de cada una. 3. OBSTÁCULOS DE APRENDIZAJE DE ALUM- NOS DE ESO SOBRE FS E IDENTIFICACIÓN DE LA DEMANDA DE APRENDIZAJE Como ya hemos dicho, al comienzo del p oyec o ealiza- mos un es udio pilo o2, median e una secuencia de ense- ñanza expe imen al (Ga cía-Ca mona y C iado, 2009), a in de ob ene unos p ime os da os sob e la comp ensión y obs áculos de ap endizaje de alumnos de ESO, en ela- ción con el ema. Su conocimien o nos pe mi ió de e mi- na la demanda de ap endizaje, que se i ía de guía pa a el diseño de una p opues a didác ica más undamen ada. En lo que sigue desc ibimos b e emen e los esul ados y conclusiones de dicho es udio. Sob e el compo amien o de los semiconduc o es con la empe a u a, un p ime obs áculo es que los alumnos conside an que el compo amien o eléc ico in e medio de los semiconduc o es, a empe a u a ambien e, se debe a que ienen simul áneamen e p opiedades de conduc- o es y aislan es (mi ad conduc o y mi ad aislan e). La supe ación de es e obs áculo es posible si los alumnos log an comp ende que el compo amien o eléc ico de los semiconduc o es –como en el es o de ma e iales– depende de su es uc u a y composición química. Y que és as pueden modi ica sus p opiedades an e cambios de empe a u a, dando luga a un compo amien o eléc ico u o o. Po an o, como p e equisi o, es con enien e que los alumnos adquie an una idea básica del enlace co a- len e en sólidos, la ene gía de ionización y la eo ía ciné- ica aplicada a los sólidos. in es igación didác ica 92 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) O o obs áculo se e ie e a la elación causa-e ec o en e la empe a u a y la esis i idad de un semiconduc o . Al- gunos alumnos llegan a c ee que, en es e ma e ial, los cambios de empe a u a ienen de e minados po cam- bios de la esis i idad. Es a con usión pod ía e i a se si los alumnos, p ime o, en ienden la esis i idad como la di icul ad que iene un ma e ial pa a conduci elec ici- dad a causa de su es uc u a in e na; luego, que el es ado de agi ación de los á omos de esa es uc u a, y la can i- dad de po ado es de ca ga, a ía con la empe a u a a la que és e se encuen e. Ello puede se abo dado con ayu- da de la eo ía ciné ica aplicada a sólidos (co alen es, en es e caso) y el concep o de ene gía de ionización, ambos incluidos en el cu ículo de ísica y química de la ESO. Los alumnos llegan a en ende la gene ación y ecombina- ción de pa es elec ón-hueco en un semiconduc o ; ambién, que los huecos ( acan es de la ed c is alina, o iginadas po los elec ones libe ados de los enlaces), as con inuos p oce- sos de gene ación y ecombinación, «pa ecen» mo e se po el ma e ial en sen ido con a io al de los elec ones lib es. La di icul ad su ge cuando a esos huecos se les adjudican p o- piedades co puscula es, como que ienen ca ga eléc ica po- si i a. Algunos alumnos no llegan a asimila que a un hueco (una «ausencia de algo») se le adjudiquen p opiedades que co esponden a las pa ículas ( eales). Además de ello, o os obs áculos ecuen es, en elación con el concep o, son: – C ee que un hueco, en el p oceso de ecombinación, es una especie de « unda» pe manen e de elec ones, que adquie e la ca ga del elec ón que llega a «ocupa lo». – Tene en cuen a los huecos pa a de e mina si un semi- conduc o es o no eléc icamen e neu o, como si uesen ca gas posi i as eales. – Conside a la ecombinación como una a acción elec- os á ica de ca gas de signos opues os (en e huecos y elec ones lib es). An e es o, lo p ime o que debemos hace es in en a que el alumno en ienda que el concep o de hueco su ge como consecuencia del modelo cien í ico que se emplea en el es udio de los semiconduc o es. Y, a con inuación, pone - le de mani ies o su u ilidad pa a comp ende el compo - amien o eléc ico de dichos ma e iales. Como e emos después, hab á que plan ea las es a egias didác icas opo unas que pe mi an al alumnado de ESO adqui i una p ime a idea del concep o. Respec o a los semiconduc o es ex ínsecos, encon a- mos a ios obs áculos de ap endizaje, algunos de los cuales ienen su o igen en la inadecuada comp ensión del concep o de hueco. Es os obs áculos son los siguien es: – Los huecos son conside ados como «de ec os» de la ed c is alina del semiconduc o y, en consecuencia, las impu ezas donado as son in oducidas a in de co egi ales de ec os. – Se iden i ica una impu eza donado a (á omo pen a a- len e) con un elec ón, y una impu eza acep o a (á omo i alen e) con un hueco. – Un semiconduc o ex ínseco deja de se eléc icamen- e neu o po que ya no iene el mismo núme o de elec o- nes lib es y de huecos, de o ma que los semiconduc o es ipo p es án ca gados posi i amen e, y los de ipo n, ne- ga i amen e. En de ini i a, se pone de mani ies o que los huecos se con unden con p o ones. E i a es os úl imos obs áculos, además de p es a una especial a ención al concep o de hueco, equie e hace én asis en que las impu ezas con las que son dopados los semiconduc o es son á omos; en que és os son eléc- icamen e neu os, y, po an o, no al e a án el es ado eléc ico del semiconduc o . 4. TRATAMIENTO DIDÁCTICO Y OBJETIVOS PARA UNA PRIMERA INTRODUCCIÓN A LA FS Una ez iden i icada la demanda de ap endizaje, pasamos a desc ibi nues a ansposición didác ica del ópico al ni- el de ESO. Mos a emos las pa es en las que se desa o- lla la p opues a y, en cada una, indicamos cómo se puede pasa del conocimien o cien í ico a la ciencia escola que a a se enseñada en es a e apa. Es o es, pa a cada con e- nido, pa imos de los concep os o enómenos cien í icos del ópico, y luego localizamos aquellos con enidos del cu ículo de ísica y química que, a nues o en ende , ie- nen elación con los mismos. A con inuación, indicamos lo que los alumnos ya saben –o, al menos, ya han es udia- do– sob e dichos con enidos de e e encia; y e minamos p oponiendo los con enidos que pueden se enseñados en la e apa, jun o con los obje i os de ap endizaje. 4.1. ¿Qué p esencia ienen los semiconduc o es en nues a ida co idiana? An es de inicia el es udio de concep os, hab ía que mo- i a al alumnado en el ap endizaje de nociones de FS, a ando, po ejemplo, de que en iendan la impo ancia de los ma e iales semiconduc o es en el desa ollo de la elec ónica. Po an o, lo que in en amos en la pa e in oduc o ia es que los alumnos sien an cu iosidad po conoce po qué los semiconduc o es son an especiales, y qué concep os y leyes cien í icas pueden explica lo. Un modo de abo da es o en clase pod ía se plan eando a los alumnos p egun as como, po ejemplo: – ¿Qué di e encias encuen as en e las calculado as, o denado es y demás apa a os elec ónicos que u ilizas ac ualmen e, con los que u ilizaban us pad es cuando enían u edad? ¿Cuál ha sido la e olución? ¿A qué c ees que ha sido debido? – ¿Sabes con qué ma e iales se ab ican los ci cui os elec ónicos de los elé onos mó iles, calculado as, e- lojes digi ales, ideoconsolas, e c.? – ¿Has oído habla de los semiconduc o es? ¿Sabes algo de ellos? in es igación didác ica 93 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) Con obje o de ayuda al alumnado a esponde es as p egun as, se les puede suge i que: a) consul en en- ciclopedias, lib os de di ulgación o webs dedicadas a ins umen os an iguos y mode nos de elec icidad/ elec ónica; b) isi en algún museo de ciencia donde haya exposiciones de apa a os elec ónicos an iguos; c) p egun en a sus amilia es, con más edad que ellos, po que ienen isión más amplia en el iempo al habe pe cibido la g an e olución de los apa a os elec ónicos en las úl imas décadas. También se pueden lee en clase a ículos de di ulga- ción cien í ica, in eligibles pa a alumnos de ESO, de- dicados al econocimien o de la con ibución de los semiconduc o es al desa ollo de la elec ónica. Igual- men e, se pueden plan ea deba es y e lexiones ace ca de cómo los a ances cien í ico- ecnológicos, ligados a los semiconduc o es, han con ibuido al a ance de los disposi i os elec ónicos, y ello, a su ez, a nues o es- ilo de ida (uso de elé onos mó iles, ep oduc o es MP3-4, e c.). Es e plan eamien o inicial es uno de an os posibles, pues ello debe es a abie o a la c ea i idad y ecu - sos de cada p o eso . También puede se plan eado en clase de ecnología, den o de la unidad dedicada a la elec ónica, es ableciendo una adecuada coo dina- ción en e el p o eso de dicha á ea y el p o eso de ísica y química. En cualquie caso, el p opósi o es mo i a a los alumnos al ap endizaje de algunos de los concep os y enómenos que se mani ies an en los semiconduc o es. 4.2. ¿A qué llamamos semiconduc o es? ¿Qué ma- e iales son semiconduc o es? ¿Cómo se explica su compo amien o eléc ico a escala mic oscópica? Una ez pues a de mani ies o la impo ancia de los semi- conduc o es, se in oduce el con enido concep ual, co- menzando po los semiconduc o es in ínsecos. De inición de semiconduc o in ínseco Los alumnos de 14-15 años ya manejan la abla pe iódi- ca de los elemen os, analizan las p incipales p opiedades de los elemen os ep esen a i os y dis inguen en e me- ales y no me ales. Asimismo, ya saben que los ma e ia- les me álicos son conduc o es de la elec icidad, y los no me álicos, aislan es. En es e con ex o, se hace alusión a los elemen os semime álicos como aquellos que poseen p opiedades in e medias a los me ales y no me ales. Es o pe mi e in oduci el concep o de semiconduc o in ínseco (pu o) como aquel ma e ial compues o po un semime al, no malmen e de Si o Ge, que a empe a u a ambien e posee p opiedades eléc icas in e medias a los ma e iales conduc o es y aislan es ípicos. Es uc u a in e na de un semiconduc o in ínseco La comp ensión de la es uc u a in e na de un semi- conduc o (sus ancia sólida co alen e) equie e que los alumnos engan una idea ap oximada del enlace químico, pa icula men e del co alen e, y del papel jugado po los elec ones de alencia en la o mación de los mismos. El p opósi o es que asocien la capacidad de los sólidos de conduci elec icidad con la can idad de elec ones lib es que puedan llega a ene . En la ESO, el enlace co alen e suele abo da se desde una pe spec i a clásica basada en la egla del oc e o de Lewis. Es a egla iene sus limi aciones, p incipalmen- e po las excepciones que p esen a, po lo que puede gene a ideas inadecuadas en el alumnado (Le y e al., 2004). Sin emba go, es bas an e in ui i o y eso la hace especialmen e ú il pa a hace una p ime a in oducción al enlace químico (Ga cía-Ca mona, 2006b; Coll y T ea- gus , 2003). Consecuen emen e, un modo de ep esen a la es uc u a co alen e a ómica de un semiconduc o in- ínseco es el modelo plano de la igu a 1. Se a a de un modelo clásico, bas an e simpli icado, que pe mi e o ece una p ime a idea de la es uc u a de es os ma e- iales en la ESO (Ga cía-Ca mona, 2006a). En sin onía con Tsapa lis y Papapho is (2002), el uso de modelos más complejos, basados en la eo ía cuán ica, como el de bandas de ene gía, suele supone un obs áculo añadido pa a los alumnos de es a e apa. Es e hecho se co obo a, además, con los hallazgos de una in es igación ecien e (Wi mann, S einbe g y Redish, 2002), que indican las di icul ades que es e úl imo modelo plan ea, incluso, a alumnos uni e si a ios. Con el modelo de la igu a 1, los alumnos pueden com- p oba , con ela i a acilidad, que cada á omo del se- miconduc o ep esen ado es es able, al compa i sus 4 elec ones de alencia con los 4 á omos ecinos más p óximos, alcanzando así la con igu ación elec ónica de gas noble. Figu a 1 Modelo bidimensional de la es uc u a co alen e de un semicon- duc o in ínseco de Si/Ge. in es igación didác ica 94 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) Compo amien o eléc ico de un semiconduc o in ínseco La esis encia eléc ica, como magni ud que da cuen a de la oposición de los ma e iales al paso de co ien e eléc ica, suele se bien asimilado po los alumnos; pe o, el concep o de esis i idad eléc ica gene a más di icul- ades de comp ensión. Ga cía-Ca mona (2006c) ha com- p obado, po ejemplo, que alumnos de ESO c een que la pé dida de conducción eléc ica de un me al (aumen o de su esis i idad), a al as empe a u as, se debe a un «e ec- o de compensación» po el cual «los elec ones educen su mo ilidad, a in de in en a e i a el calen amien o del me al». Si bien el concep o de esis i idad es esencial en FS, como p ime a ap oximación, en la ESO el concep o pue- de se in oducido como una ca ac e ís ica p opia de cada ipo de ma e ial (de e minada po su es uc u a y compo- sición química), independien e de sus dimensiones, que da idea de su oposición in ínseca al paso de co ien e eléc ica (Pie e , 1994). Además, hab ía que añadi que el alo de la esis i idad a ía según la empe a u a del ma e ial. La in luencia de la empe a u a sob e la esis i idad de los ma e iales puede se comp endida a pa i de la eo ía ciné ica y del concep o de ene gía de ionización, en los é minos p o is os pa a la ESO. En la li e a u a exis en nume osos abajos dedicados a las di icul ades de ap endizaje de los alumnos de secunda ia sob e la eo ía ciné ica. Bena och (2001) las sin e iza en: a) una endencia a imagina la ma e ia en é minos mac oscópicos, en ez de hace lo a pa i de su ca ác e discon inuo; b) una endencia a aslada las p opiedades mac oscópicas de un sis ema hacia las mic oscópicas; c) la concep ualización, en el mejo de los casos, de un mo- delo co puscula es á ico, si bien, espec o a es a úl ima, algunos es udios (Domínguez, De P o y Ga cía-Rodeja, 1998; Gómez-C espo, Pozo y Gu ié ez, 2004) e elan que alumnos de ESO llegan a asocia la agi ación de las pa ículas de un ma e ial con su empe a u a. El concep o de ene gía de ionización suele gene a di- icul ades de comp ensión en los alumnos de dis in as e apas educa i as (Tabe , 2003). Consecuen emen e, en la ESO c eemos su icien e de ini la como la ene gía ne- cesa ia pa a libe a elec ones de alencia de sus enlaces, sin dis ingui si se a a de la 1.ª, 2.ª, 3.ª… ene gía de ionización.3 En unción de los dos concep os an e io es, los alumnos pueden adqui i una p ime a idea de po qué la esis i i- dad de un ma e ial me álico (conduc o ) aumen a con la empe a u a, y, sin emba go, en un semiconduc o ocu e lo con a io. Lo que se espe a es que comp endan que los me ales (ma e iales con bas an es elec ones lib es a ba- jas empe a u as) se con ie en en malos conduc o es de la elec icidad a al as empe a u as, po que los á omos de la ed aumen an su es ado de ib ación en o no a sus po- siciones de equilib io, obs aculizando así el mo imien o de la g an can idad de elec ones lib es del ma e ial. Sin emba go, en los semiconduc o es (sólidos co alen es) un aumen o de empe a u a p oduce up u as en sus enlaces y, en consecuencia, la libe ación de elec ones de alen- cia –cuando adquie en la ene gía de ionización–, los cua- les es a án dispues os a o ma una co ien e eléc ica en el momen o en que sea aplicado un ol aje, lo que expli- ca la disminución de esis i idad en los semiconduc o es al subi la empe a u a. Lo dicho sob e la libe ación de elec ones de la ed co- alen e de un semiconduc o pe mi e hace una p ime a in oducción al concep o de hueco. Con el modelo clási- co y simpli icado de semiconduc o empleado, un hueco puede se de inido como la acan e que deja un elec ón de alencia libe ado de un enlace (Pie e , 1994). Asi- mismo, la eo ía ciné ica y el concep o de ene gía de io- nización pe mi en hace una p ime a in oducción a dos p ocesos esenciales en FS: la gene ación y la ecombi- nación de pa es elec ón-hueco. El p opósi o es que los alumnos en iendan que cuando los elec ones de enlace, compa idos po los á omos de la ed, adquie en la su- icien e ene gía (de ionización) pa a ompe el enlace, se con ie en en elec ones lib es dejando las co es- pondien es acan es (huecos) en la ed (Figu a 2). Suele se ela i amen e ácil pa a los alumnos deduci que po cada elec ón libe ado de la ed apa ece un hueco; y que en un semiconduc o pu o siemp e exis i á el mismo nú- me o de elec ones lib es y huecos. Asumiendo que los alumnos ya ienen en men e que un ma e ial es buen conduc o si iene muchos elec ones lib es, se espe a que comp endan que la gene ación de muchos pa es elec ón-hueco con ie a al semiconduc o en un buen conduc o de elec icidad. No obs an e, con- iene ma iza que la empe a u a necesa ia pa a ompe los enlaces co alen es del semiconduc o y con e i lo en buen conduc o de la elec icidad es ealmen e g ande (en o no a 600 K pa a el Si). De modo que deci que «la conducción eléc ica de los semiconduc o es aumen a con la empe a u a», sin más, debe en ende se como una simpli icación que hacemos den o del ca ác e in oduc- o io de la p opues a. Figu a 2 Gene ación de un pa elec ón-hueco. in es igación didác ica 95 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) En es e con ex o se puede hace alusión a la aplicación de los semiconduc o es en la gene ación de ene gía o- o ol aica. Se in en a que los alumnos adquie an una idea básica de la aplicación, llegando a en ende –como p ime a ap oximación4– que la luz sola p opo ciona la ene gía de ionización necesa ia pa a libe a elec ones de la es uc u a co alen e, que pueden o ma pa e de una co ien e eléc ica. Respec o al p oceso de ecombinación de pa es elec ón- hueco, el obje i o es que los alumnos en iendan que los elec ones lib es pie den pa e de su ene gía debido a los múl iples choques con la ed c is alina del semiconduc- o . Po an o, uel en a cae sob e la ed, ocupando los huecos dejados po o os elec ones libe ados y quedan- do enlazados nue amen e. Po ado es de ca ga de un semiconduc o : elec ones y huecos Los alumnos de 14-15 años ya ienen una p ime a idea de la ley de Ohm, y de las magni udes ísicas que se e- lacionan en dicha ley (in ensidad, ol aje y esis encia eléc ica). También han es udiado que los po ado es de ca ga eléc ica en los conduc o es son los elec ones. El aspec o no edoso que se in oduce con los semiconduc- o es es que, además de los elec ones, exis e o o ipo de po ado de ca ga: el hueco. An es hemos de inido el hueco como la acan e que deja un elec ón libe ado de la ed co alen e del semiconduc- o . Además de es o, en FS a un hueco se le adjudican una se ie de p opiedades co puscula es, con el in de hace más ácil la comp ensión de la conducción eléc ica en es os ma e iales. Los huecos se compo an como pa ícu- las con las mismas p opiedades que los elec ones lib es, pe o con ca ga posi i a, de modo que si se aplica un ol- aje al semiconduc o , los huecos «gene an» una co ien- e eléc ica posi i a que ci cula á en sen ido opues o a la p oducida po los elec ones (Figu a 3). Al p incipio, el concep o de hueco suele ocasiona di- icul ades de comp ensión a los alumnos de ESO; p in- cipalmen e, po que su sen ido común les puede induci a echaza que algo « acío» uncione como una ca ga eléc ica (Ga cía-Ca mona, 2007). Después de odo, como señala an Zeghb oeck (2004), los elec ones son los únicos po ado es de ca ga eales en un semicon- duc o . En e ec o, los huecos sólo exis en den o de un semiconduc o , y, a di e encia de los elec ones, nunca pod emos ex ae los del ma e ial. Pie e (1994) a gu- men a que es e ipo que con lic os men ales suelen se consecuencia de las impe ecciones, o limi aciones, que ienen los modelos que u ilizamos en ciencias. Sin em- ba go, en la enseñanza de las ciencias enemos que ene en cuen a dichas limi aciones, y a a de busca las o - mas más adecuadas pa a que los concep os puedan se comp endidos po los alumnos. Median e el uso complemen a io de analogías, los alum- nos de ESO pueden adqui i una idea ap oximada del con- cep o de hueco. Imaginemos, po ejemplo, que enemos seis asos y cinco bolas. Disponemos en línea los asos, e in oducimos las cinco bolas en los p ime os cinco asos, dejando el p ime aso acío, si uado más a la izquie da. Aho a mo emos la bola del segundo aso hacia el p ime- o, la bola del e ce o hacia el segundo aso que ha que- dado acío, y así sucesi amen e. La imp esión es que el aso acío (hueco) pa ece mo e se de izquie da a de echa, es deci , en sen ido con a io al mo imien o de las bolas (elec ones). Lógicamen e, es e mo imien o es posible po que hay di e en e núme o de asos (huecos) y bolas (elec ones); po an o, si se op a po emplea la analogía, se á con enien e habla de sus limi aciones y acla a que no es ealmen e álida pa a ep esen a a un semiconduc o in ínseco (pu o). Hemos dicho que la concepción de un hueco como po - ado de ca ga eléc ica es consecuencia de los modelos que se u ilizan pa a acili a la comp ensión del com- po amien o eléc ico de los semiconduc o es, lo que es ácilmen e jus i icable cuando se emplea el modelo de bandas de ene gía5. Sin emba go, en el con ex o del mo- delo clásico bidimensional de semiconduc o , podemos u iliza la analogía an e io pa a jus i ica la u ilidad del concep o de hueco. Imaginemos aho a que enemos mu- chos asos acíos y sólo unas pocas bolas que se mue en con inuamen e sal ando de unos asos a o os. En es e caso, es ácil segui el mo imien o de las bolas (elec o- nes). Pe o, si lo que hay son muchas bolas y sólo unos cuan os asos acíos, es más e icaz segui qué asos quedan acíos en cada momen o (huecos) que in en a lle a un egis o del mo imien o de odas las bolas. Como se ha comen ado, la asignación de un ca ga posi- i a a los huecos suele p oduci con lic os cogni i os en los alumnos, po que pueden con undi los con p o ones. En es e sen ido, es p eciso incidi en que: 1) los p o ones son ca gas eales y los huecos no, y 2) los huecos pueden mo e se y gene a una co ien e eléc ica posi i a, mien- as que los p o ones no, al encon a se en el in e io del núcleo a ómico. Asimismo, a in de e i a que en los alumnos la idea de que el p oceso de ecombinación se debe a una a acción elec os á ica en e un hueco y un elec ón, se puede ana- liza con ellos lo que ocu e con la ene gía de un «obje o» as su i nume osos choques en su camino. La inalidad es que lleguen a en ende que los elec ones lib es an pe diendo pa e de su ene gía po los múl iples choques con los á omos de la ed, y e minan «cayendo» sob e los huecos, c eados po o os elec ones libe ados. Figu a 3 Mo imien o de elec ones y huecos en un semiconduc o . in es igación didác ica 96 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) Hab ía que dedica , po an o, un iempo a hace e al alumno que decisiones como la de adjudica p opieda- des co puscula es a los huecos son ecuen es en ciencia, sob e odo cuando se cons uyen modelos pa a in en a explica «lo que no podemos obse a a simple is a» ( enómenos mic oscópicos), pe o que sabemos de su mani es ación. Se les puede e oca , en es e sen ido, que en cu sos an e io es ya han empleado modelos –p inci- palmen e analógicos– cuando han abo dado el es udio de la ma e ia, con exp esiones como: «los á omos son “boli as”», en el modelo a ómico de Dal on; «el núcleo es como el Sol y los elec ones como los plane as», en el modelo a ómico de Ru he o d, o «los á omos son los “lad illos” que cons i uyen la ma e ia». 4.3. ¿Cómo pueden se modi icados los semicon- duc o es pa a mejo a sus p opiedades eléc icas/ elec ónicas? Una ez que han sido a ados los semiconduc o es pu- os (in ínsecos), se in oducen los semiconduc o es ex ínsecos. Se puede comenza haciendo alusión a las limi aciones de los p ime os, como que sólo conducen bien la elec icidad a al as empe a u as. Po an o, se a a de pone de elie e la idea de que los cien í icos y ecnólogos, que diseñan disposi i os elec ónicos, se plan ean la necesidad de manipula de algún modo es os ma e iales, con el p opósi o de mejo a sus p es aciones. Po ejemplo, consegui que es os ma e iales conduzcan bien la elec icidad a empe a u a ambien e. Su ge así el concep o de semiconduc o ex ínseco. Ap o echando que los alumnos de ESO ya dis inguen las sus ancias pu as de las impu as, el semiconduc o ex ínseco puede se de inido como aquel que ha sido dopado con impu ezas, a in de mejo a su conducción eléc ica sin aumen a le la empe a u a.6 An es de abo da el p oceso de dopado de un semicon- duc o , se puede p egun a a los alumnos si han oído an- es la palab a dopado (es posible que la hayan oído en el ámbi o del depo e). En el momen o que ienen una idea gene al de lo que es «dopa », se les plan ea si saben qué impu ezas hab ía que in oduci a un semiconduc o pa a modi ica su núme o de po ado es de ca ga (elec ones o huecos). Pa a ayuda les a esponde se les puede da la pis a de que los po ado es p ocede án de los elec ones de alencia de los á omos in oducidos. Lo que se espe a es que lleguen a la conclusión de que el dopado de un semiconduc o consis e en in oduci le á omos de o os elemen os di e en es y que, po an o, end án di e en- e núme o de elec ones de alencia que el Si/Ge. Los alumnos de ESO suelen en ende sin mucha di icul ad que así el semiconduc o se con ie e en una sus ancia impu a (semiconduc o ex ínseco). Una ez que los alumnos llegan a asocia el p oceso de dopado con la in oducción de á omos ex años, se les cues iona si se ía lógico que se in odujese cualquie ipo de á omos o si debe habe algún ipo de es icción. Se les puede da una p ime a pis a: que los á omos in o- ducidos no ompan, o no al e en signi ica i amen e, la es uc u a c is alina del ma e ial. Con ello se in en a que deduzcan que las impu ezas in oducidas deben ene un amaño simila al de los á omos del semiconduc o (Si/ Ge). Luego se les sigue dando pis as que les ayuden a conclui que ello se consigue in oduciendo á omos pen- a alen es o i alen es, es deci , con un elec ón de a- lencia más o menos, espec i amen e, que el Si/Ge (á o- mo e a alen e). Después de que se hayan iden i icado las impu ezas con las que suelen se dopados los semiconduc o es, el ob- je i o es en ende qué consecuencias ienen és as en el compo amien o eléc ico de los mismos, lo que puede consegui se median e el modelo/esquema bidimensional de semiconduc o de inido, y la egla del oc e o. Cues- ionando a los alumnos qué ocu e si a un semiconduc o de Si/Ge le es in oducido un á omo pen a alen e, po ejemplo de Sb (Figu a 4), se espe a que comp ueben que al impu eza compa e cua o de sus elec ones de alen- cia con cada uno de los cua o á omos de Si/Ge ecinos, quedándole uno de sus elec ones desapa eado. Luego se plan ea ía la siguien e p egun a gené ica: ese elec ón que «sob a», al no es a implicado en el enlace co alen- e, ¿ equie e una ene gía de libe ación igual que la eque- ida pa a ompe un enlace co alen e? Si es necesa io, se apo a la in o mación de que incluso a empe a u a ambien e dicho elec ón puede adqui i la ene gía su i- cien e pa a con e i se en un elec ón lib e. El p opósi o es que los alumnos en iendan que con la in oducción de á omos pen a alen es en un semiconduc o , se consigue ene elec ones lib es sin sus co espondien es huecos; con lo cual, si se aplica un ol aje, la co ien e debida a elec ones se á mayo que la debida a huecos. A con inuación se puede pedi a los alumnos que in es- iguen cómo se denominan las impu ezas que gene an elec ones lib es en un semiconduc o , sin los co es- pondien es huecos. La in ención es que concluyan que dichas impu ezas se denominan impu ezas donado as (á omos pen a alen es). Es o pe mi e, además, de ini el concep o de semiconduc o ex ínseco ipo n (de ne- Figu a 4 Gene ación de un elec ón lib e median e la in oducción de una impu eza donado a. in es igación didác ica 97 enseñanza de las ciencias, 2011, 29(1) ga i o) como aquel que ha sido dopado con impu ezas donado as y que, po an o, iene a los elec ones como po ado es de ca ga mayo i a ios. De o ma análoga a lo an e io , se pide a los alumnos que analicen qué ocu e cuando se dopa un semiconduc o con á omos i alen es. Se espe a que deduzcan que el á omo «ex año» (impu eza) no posee el núme o su icien e de elec ones de alencia pa a comple a los cua o enlaces co alen es. Consecuen emen e, su ge un hueco en uno de los enlaces (Figu a 5), sin que haya sido libe ado un elec ón. Igualmen e, se les pedi á que in es iguen cómo se denominan las impu ezas que apo an huecos a los se- miconduc o es, sin que lle e apa ejado la libe ación de un elec ón. En es e caso, se espe a que encuen en que és as son denominadas impu ezas acep o as (á omos i- alen es). En de ini i a, lo que se p e ende es que lleguen a comp ende que el dopado de un semiconduc o con impu ezas acep o as aumen a la concen ación de huecos espec o a la de elec ones. Asimismo, que los po ado es de ca ga mayo i a ios son los huecos (posi i os) y que, po ello, al semiconduc o se le denomina ex ínseco ipo p (de posi i o).7 Como posibles di icul ades de comp ensión, an icipamos que el hecho de que en los semiconduc o es ex ínsecos exis an dis in as can idades de elec ones lib es y huecos puede hace pensa a los alumnos que no son eléc ica- men e neu os. En es e sen ido, se les puede p egun a cómo a ía la can idad de elec ones y p o ones de un se- miconduc o cuando es dopado. Se in en a ía e o za así la idea de que las impu ezas, an o donado as como acep- o as, inse adas en un semiconduc o son á omos; po an o, eléc icamen e neu os (apo an el mismo núme o de elec ones y p o ones), con lo que el semiconduc o ex ínseco ambién. Es o se puede consegui incluyendo alguna ac i idad donde se pida a los alumnos que hagan un balance de p o ones y elec ones, en una po ción de cie o ma e ial (homogéneo) donde exis e cie a can idad de á omos de dos ipos di e en es (como ocu e en un semiconduc o ex ínseco), y de e minen si es a ía o no ca gado eléc icamen e. 5. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS Hemos plan eado la posibilidad de in eg a nociones de FS en el cu ículo de ísica y química de la ESO, a in de complemen a la enseñanza de la elec ónica, ac ualmen- e abo dada desde la ma e ia de ecnología. El desa ollo de nues a p opues a didác ica pa e de la hipó esis de que con los con enidos sob e ma e ia y elec icidad, p e is- os en dicho cu ículo, y sin más que añadi unos pocos concep os nue os, es ac ible una p ime a in oducción al ópico en la ESO. Así se pone de mani ies o en nues o es udio pilo o, donde obse amos que los alumnos, sin g andes di icul ades, log an en ende : 1) la es uc u a in- e na de un semiconduc o , en base a la eo ía de Lewis; 2) los p ocesos de gene ación y ecombinación de pa es elec ón-hueco; 3) la gene ación de elec ones lib es en un semiconduc o median e dopado con impu ezas do- nado as; y 4) el balance de po ado es de ca ga en un semiconduc o ex ínseco. Es o no qui a, sin emba go, que puedan su gi concep- ciones al e na i as, como que: – Un semiconduc o iene simul áneamen e p opiedades de conduc o y aislan e. – Un hueco es una unda del elec ón. – Los huecos pa icipan en la neu alidad eléc ica de los semiconduc o es, como si uesen ca gas ísicas ( eales). – El p oceso de ecombinación es una a acción elec- os á ica en e un hueco y un elec ón. – Los huecos son de ec os de la ed c is alina de un se- miconduc o , y el dopado con impu ezas donado as iene la inalidad de « epa a los». Po an o, la p opues a debe se some ida a nue os ensayos que a ojen mayo luz ace ca de su iabilidad y e icacia. Po que es posible que las simpli icaciones hechas en la ansposición didác ica del ópico pa a dicho ni el puedan con ibui , de algún modo, al desa ollo de las concepcio- nes al e na i as an e io es. Hay que ene en cuen a que el ópico suele se es udiado en la educación posobliga o ia desde el dominio de la ísica cuán ica, y noso os lo hemos plan eado desde una pe spec i a clásica. También cabe p egun a se si el g ado de abs acción de algunos de los concep os a ados, como, po ejemplo, el de hueco, sob e- pasa o no la capacidad habi ual de un alumno de ESO, y que, po ello, a lo mejo es con enien e pospone su in o- ducción a cu sos supe io es. Es e ipo de p egun as son las que an a guia nues as u u as in es igaciones, a in de mejo a nues o plan eamien o didác ico sucesi amen e. Figu a 5 Gene ación de un hueco median e la in oducción de una impu eza acep o a.